收缩驱动推进运动控制向前

数字设计、缩小的处理器和更高效的开关放大器提供的驱动器，其性能大大提高，只是以前大小的一小部分。

说到电子学，进步不仅仅是性能的问题，而是在更小、更轻、更便宜的设备上实现这种性能。这一趋势在运动领域得到了体现，允许原始设备制造商缩小他们的设计，同时提供更强大的结果。与10年或15年前相比，驱动器变得更小、更轻，总的来说功能也更强了(见图1)。让我们来仔细看看最先进的技术，看看这对机器制造商意味着什么。

数字驱动器
主要有三个因素导致了尺寸的减小:集成处理器的数字驱动器的变化，处理器本身的尺寸减小，以及高效PWM开关放大器的使用。

由于多种原因，从模拟驱动器到数字驱动器的转变是减小尺寸的一个重要因素。首先，数字驱动器用更少、功能更强的元素取代模拟设计中的电阻、电容和运算放大器。北美销售副总裁约翰·钱德勒说:“过去，电路板上有数百个元件。Technosoft公司(Bevaix，瑞士)。“今天，你有一个组件，可以做所有的软件。”在软件中增加功能而不是在硬件中增加功能会使物理包变小，同时功能也在增长。电源调试技术允许开发人员优化代码以提高效率。

“大多数数字驱动器都有某种类型的FPGA，或者，在我们的情况下，是DSP，”John McLaughlin说，“北美经理同意艾尔摩运动控制(韦斯特福德,马萨诸塞州)。“DSP允许制造商利用该设备作为编程和做所有动作的核心。”

随着半导体行业沿着摩尔定律(Moore 's Law)曲线的发展，数字驱动器不仅通过整合组件数量来缩小尺寸，而且处理器本身也在缩小。随着处理器从一代到下一代的发展，它们的外设和设计自由度越来越大，功能也越来越强大，而且体积也越来越小。因此，驱动器能够以更紧凑的形式完成更多的工作(见图2)。

第三个需要改进的地方是在效率方面。大约30年前，大多数放大器都是线性的，而且效率非常低。最近，放大器制造商开始使用脉宽调制(PWM)驱动器，这种驱动器使用mosfet进行开关。一般来说，PWM驱动器将方波电压转换为电流，调整方波的占空比和频率，以提供运行电机所需的电流。热传导是面积的函数。这意味着在所有条件相同的情况下，一个较小的设备将比它的同类运行得更热。由于热量会降低电子元件的寿命，因此热量成为驱动器尺寸减小的限制因素。这就是半导体设计的新发展。

现代半导体能够比以前运行得更热，主要是由于更好的处理和封装。更好的耐热性使得设计者可以制造更小的设备。然而，这只是故事的一部分。在减小尺寸方面，提高效率在很大程度上得到了回报。考虑一个100w的放大器在95%的效率下工作，这意味着它耗散5w的功率作为热量。钱德勒说:“假设我们想把放大器的尺寸缩小一半，同时保持其他所有东西，比如工作温度不变。”“如果我们能将效率提高到97.5%，我们只会损失2.5 W的热量，所以我们可以将放大器的尺寸减少一半。”

mosfet通常有两种不同的损耗机制:通态导通损耗和开关损耗。我们可以把电阻器想象成一个开关，在关闭状态下有一个与之相关的标称电阻。这反映在一个称为通态电阻(RDS)的量上，通常在毫欧姆水平。

开关损耗是由开关过程引起的。在方波电压产生变化电流的情况下，我们可以将功率P表示为P = IV=I2R，其中I是电流，V是电压，R是电阻。例如，当设备开关时，电压从零到高，电流同时从某个标称水平下降到零在同一时间跨度内;反之亦然。这意味着在极端情况下，我们有很多电压但没有电流——没有电源——或者有很多电流但没有电压。当电压和电流都不为零时，问题就出现了。现在，我们有很多电力，但也有很多电力损失。“如果你把电压乘以电流，突然之间你就会得到很高的功率，”钱德勒说。“设备不会爆炸的原因是这两种状态之间的转换发生得很快，实际上设备的切换越来越快。”开关时间越短，效率越高。

更高的效率带来的回报不止一种。更低的功率损耗意味着更少的热量散发，这就减少了对散热器和风扇等热管理组件的需求。反过来，这将产生一种更小、更轻、更便宜的设备。麦克劳克林说:“你从散热器开始，设计产品时要尽量减少产生的热量。”“这是你如何处理电力问题，以及如何处理电子产品的效率或低效率问题。”

设计与新的驱动器
分布式控制架构简化了设计，简化了硬件管理。但是，根据应用程序的不同，使用单轴高效组件可能比使用多轴组件更好。单轴模块设计有一个共同的引脚，使客户能够轻松集成不同功能的驱动器。该公司营销经理卡尔•迈耶(Karl Meier)表示:“对于制造不同机器、但拥有相同控制板的人来说，一个共同的pin-out平台是一个很大的优势。先进的运动控制(贝南加利福尼亚州)。“他们可以在许多不同的平台上节省成本。这是拥有独立模块而不是拥有一个平台的一个优点。它让我们接触到更多的应用，帮助人们创造出以前不可能的产品和市场机会。”

他认为，新的、更高效率的驱动支持了另一种趋势——向便携式设备的转变。他表示:“市场正在从传统的工厂车间产品转向更便携的设备。”“由于小型驱动器具有提供高功率密度解决方案的能力，由于效率和设备的尺寸，它们被准备用于便携式电源解决方案。大多数市场研究完全忽略了伺服运动控制业务的这一方面。”

如今，更紧凑、高效的驱动器允许机器制造商和oem以更小的占地面积构建更有效的解决方案。通过使用适当的集成水平，设计师可以在加快制造过程和降低成本的同时为客户带来好处。这使得紧凑型、高效率的智能驱动器成为一个，嗯，相当聪明的想法。